W及Z玻色子

在物理學中，W及Z玻色子（boson）是負責傳遞弱核力的基本粒子。它們是1983年在歐洲核子研究組織發現的，被認為是粒子物理標準模型的一大勝利。

W^±，Z⁰玻色子

组成	基本粒子
系	玻色子
基本相互作用	弱相互作用
理论	1967年 (温伯格，萨拉姆)
发现	1983年（UA1和UA2合作组）
质量	W: 80.385±0.015GeV Z: 91.1876±0.0021GeV
自旋	1

W玻色子是因弱核力的“弱”（Weak）字而命名的。而Z玻色子則因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個說法是因Z玻色子有零（Zero）電荷而得名。

基本性質

W玻色子有兩種，分別有 +1（W⁺）和−1（W⁻）單位電荷。W⁺是W⁻的反粒子。而Z玻色子（Z⁰）則為電中性的，且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命，其半衰期約為${\displaystyle 3\times 10^{-25}}$ 秒。

這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W的質量為80.399 ± 0.023 GeV，而Z則為91.1876 ± 0.0021 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍——比鐵原子還要重。玻色子的質量是十分重要的，因其限制了弱核力的作用範圍。相對地，因為光子無質量，故電磁力的作用範圍無限遠。

弱相互作用

 

費曼圖β -衰變的一個中子變成質子，以及通过一个瞬间的重W玻色子衰变成的电子和反電微中子

W和Z玻色子是传递弱相互作用的媒介粒子，就像光子是传递电磁相互作用的媒介粒子一樣。W玻色子在核衰變過程中擔任一個重要的角色。以鈷-60的β衰變為例，

${\displaystyle {}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}}$ 

此反應在超新星和中子彈爆炸時是非常重要的。可是它並不需牽涉到整個鈷核子，而只是它33個中子其中之一。此中子在衰變期間轉變成一個質子、電子（又叫β粒子）和反電微中子：

${\displaystyle {\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}}$ 

但中子和質子都只是夸克的組合（中子是“上下下”(標準模型符號為:u,d,d)，質子是“上上下”(標準模型符號為:u,u,d)）。中子的一粒下夸克在β衰變中受弱相互作用的影响而變成上夸克：

${\displaystyle {\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}}$ ，

故弱相互作用可改變夸克的“味道”（參閱費米子）。而所發出的W⁻粒子迅速衰變成電子和反電微中子：

${\displaystyle {\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}}$ 

因Z玻色子是自己的反粒子，故它的所有量子數皆為零。交換Z玻色子是一個中性流作用（Neutral current interaction），而接收和發出Z玻色子的粒子除動量外甚麼也沒變。要觀測中性流作用需要在粒子加速器和粒子偵察器上作很大的投資，故目前世界上只有幾所高能物理實驗室擁有這些儀器。關於這部分巨額經費的來源，可能有待未來尖端科技用以轉化一般金屬成金的技術的突破。

W和Z玻色子的預測

 

費曼圖

於1950年代量子電動力學的空前成功後，科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年，這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的谢尔登·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆因此得到1979年的諾貝爾物理學獎^[1]。他們的弱電理論不止假設了W玻色子的存在來解釋β衰變，還預測有一種未被發現的Z玻色子。

W和Z玻色子有質量，而光子卻沒有——這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個SU(2) 规范理論來精確描述，但理論中玻色子必定無質量。譬如，光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)规范理論解釋。某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予W和Z玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得·希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種新粒子——希格斯玻色子(現今此粒子已被證實存在了)。

SU(2)測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為格拉肖-温伯格-萨拉姆模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。

W和Z玻色子的發現

W和Z粒子的發現是歐洲核子研究組織的主要成就之一。首先，於1973年，實驗觀察到了弱電理論預測的中性流作用；那時加尔加梅勒的氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為中微子藉由交換沒有軌跡的Z玻色子與電子互相作用。由於中微子是偵測不到的，因此實驗中只能看到電子因著交互作用而造成的動量改變。

W和Z粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器，其中卡洛·鲁比亚和西蒙·范德梅尔在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的W粒子證據。這些實驗稱作“UA1”（由鲁比亚主導）和“UA2”，且為眾多人合作的努力成果。范德梅尔是加速器方面的驅策者（隨機冷卻）。UA1和UA2在幾個月後（1983年五月）找到Z粒子。很快地鲁比亚和范德梅尔因而得到1984年的諾貝爾物理學獎^[2]，這可算是保守的諾貝爾獎基金會自成立以來相當不尋常迅速的一次。

参考资料

1. 存档副本. [2004-11-27]. （原始内容于2004-08-03）. 
2. 存档副本. [2004-11-27]. （原始内容于2004-08-03）. 

外部連結

• 粒子物理學回顧（The Review of Particle Physics） （页面存档备份，存于互联网档案馆）：粒子性質資訊的首要來源。